工程建筑金屬制成結構體系防腐蝕措施研究

林 偉

（福州外語外貿學院 理工學院，福建 福州 350202）

腐蝕是物質與環境的物理-化學相互作用，是一種自發進行的過程，腐蝕的結果是使物質的性能和外表發生強烈的變化，并導致物質、環境或者由被腐蝕物質組成的結構體系的功能受到影響。腐蝕是生活中常見的一種物理-化學現象，在當今社會人們生活、生產的各個領域，都會遭受到腐蝕的危害，尤其是金屬腐蝕，在工程建筑領域金屬制成結構體系經常發生腐蝕，金屬制成結構體系腐蝕不僅會危害到建筑物的穩定性，還會造成巨大的經濟損失。據相關統計數據顯示，在世界范圍內，工程建筑金屬制成結構體系腐蝕造成的年度經濟損失占年度國民經濟總值的2.45%-4.68%之間，這個數據是相當巨大的，對國民經濟的發展造成了嚴重的不良影響。目前國家正進入大規模的經濟建設時期，城市化進程不斷加快，在城市基礎工程建筑中，比如橋梁建筑、高層建筑、機場建筑等，工程建筑中需要使用大量的金屬制成結構體系，且這些金屬制成結構體系大部分都裸露在空氣中，當處于特殊自然環境中會出現多種腐蝕性問題，比如酸雨腐蝕、金屬涂層老化等。所以為了保證工程建筑的穩定性，需要采取工程建筑金屬制成結構體系防腐蝕措施，為此提出工程建筑金屬制成結構體系防腐蝕措施研究。

1 工程建筑金屬制成結構體系腐蝕機理

工程建筑金屬制成結構體系的腐蝕影響因素比較多，造成其腐蝕的不僅僅和所處的地質條件有關系，還與外界腐蝕環境具有密切的關系，并且金屬的腐蝕程度與腐蝕介質、濕度、溫度、空氣的流速、接觸物質等有關，所以金屬制成結構體系的腐蝕性是由所處環境化學、物理等多種因素綜合作用下得出的，若要制定合理的防腐蝕措施，必須要了解其腐蝕機理，具體金屬制成結構體系腐蝕機理如下。

（1）物理作用：物理作用是指金屬制成結構體系自身體積的膨脹變化，而沒有與環境中腐蝕性元素發生反應。任何物質都會發生熱脹冷縮物理反應，當金屬在高溫環境下體積發生增大變化，導致金屬制成結構體系強度、硬度等物理性能降低，結構表面遭到破壞，使空氣中的氧氣更容易進入金屬內容，最終發生腐蝕[1]。物理作用分為侵蝕作用和結晶作用兩種，其中侵蝕作用是指金屬受到環境中侵蝕性介質（空氣中氧氣成分）的長期作用下，金屬表層中可溶性成分逐漸被空氣中的氧氣溶解，隨著金屬表層被溶解的成分不斷流失，使金屬制成結構體系表面孔隙率發生變化，進而使周圍環境中的腐蝕性因素更容易進入到金屬內部[2]。結晶作用是指環境中一些鹽酸物質進入到金屬制成結構體系中，通過空氣中的水分溶解鹽酸結晶，在長期作用下導致金屬制成結構體系體積不斷增大，產生較大的結晶壓力，最終使金屬制成結構體系膨脹裂開。

（2）化學作用：化學作用是指金屬制成結構體系與環境中腐蝕性介質發生化學反應而生成新的化學物質，從而破壞金屬制成結構體系。化學作用主要分為分解類化學腐蝕和分解結晶復合類化學腐蝕兩種，其中分解類化學腐蝕是指腐蝕性介質（酸類、鹽類、氧氣等）接觸到金屬表層，與金屬發生氧化反應，生產氧化物附著在金屬表面，從而降低金屬強度；分解結晶反復類化學腐蝕是指環境中腐蝕性介質與金屬結構中Ca(OH)2發生反應，結晶成鈣鹽，鈣鹽再與金屬表層毛細孔中的水分接觸，被稀釋，然后再結晶，這樣反復分解結晶最終引起金屬制成結構體系膨脹破裂。

2 工程建筑金屬制成結構體系防腐蝕措施

從以上對工程建筑金屬制成結構體系腐蝕機理分析得知，造成金屬腐蝕主要是受到周圍環境的影響，因此此次從金屬制成結構體系與腐蝕性介質隔離的角度入手，利用相應的措施和手段，將金屬制成結構體系與腐蝕性介質分類開來，令兩種東西不發生接觸，從而起到防腐蝕的作用[3]。根據以上分析，提出兩種防腐蝕措施，第一種是在金屬制成結構體系表面涂抹防腐涂層，第二種是采取電化學保護，通過外部電流對金屬的電位進行改變，進而起到對金屬制成結構體系防腐保護的作用，以下將對兩種措施進行詳細說明。

2.1 金屬制成結構體系防腐涂層

2.1.1 防腐涂料選擇

防腐涂層是在金屬表面涂抹一層防腐涂料，利用涂料阻止水分、氧氣等腐蝕性介質與金屬表面接觸，從而起到防腐蝕作用，因此要選擇防腐效果好的防腐涂料[4]。防腐涂層材料分為油基漆和樹脂基漆兩類，目前常用的防腐涂層材主要有水性丙烯酸防腐涂料、丙烯酸酯環氧樹脂涂料、聚丙氨酸樹脂防腐涂料以及石墨烯復合防腐涂料四種[5]。其中水性丙烯酸防腐涂料、石墨烯復合防腐涂料為油基漆類，丙烯酸酯環氧樹脂涂料、聚丙氨酸樹脂防腐涂料為樹脂基漆類，不同種類的防腐涂料其特征也不同，比如附著力、耐高溫性能、成膜速度、環保性、制備成本、使用壽命以及防腐蝕性，下表為四種防腐涂料對比。

表1 四種防腐涂料對比

由于工程建筑制成結構體系防腐涂層使用壽命至少20年，從表1中可以看出，丙烯酸酯環氧樹脂涂料各個性能都優于其他三種涂料，更適用于工程建筑金屬制成結構體系防腐，使用壽命較長，且環保性能良好，具有良好的耐溶劑性和附著力，涂抹后不容易脫落，耐溫可到280℃，涂料透明、無色無味，因此選擇丙烯酸酯環氧樹脂涂料作為防腐涂層材料。

2.1.2 金屬制成結構體系表面熱噴涂層

選擇完防腐涂料后，利用熱噴涂技術將丙烯酸酯環氧樹脂涂料噴涂到金屬制成結構體系表面。首先在噴涂前需要將金屬表面的灰塵、雜質等清理干凈，表面清理干凈后，利用砂質對金屬表面打磨。另外，金屬制成結構體系的所有焊接、切割、金屬缺陷處都需要利用噴砂清潔處理，要使金屬表面的粗糙度達到一定要求，使丙烯酸酯環氧樹脂涂料更好的附著到金屬表面[6]。然后將丙烯酸酯環氧樹脂涂料和水按照3：2的比例配置，將其攪拌均勻，在涂抹時，要將金屬表面溫度控制到10℃-40℃范圍內，溫度過低或者溫度過高不利于涂料凝結，并且周圍大氣相對濕度要低于80%。涂抹方式采用熱噴涂方式，涂抹完2小時后在涂抹一次，涂層厚度為15mm，噴涂的施工不宜在陰天、雨天、雪天或者是大風天氣，以此完成金屬制成結構體系防腐涂層施工。

2.2 金屬制成結構體系采取電化學保護

涂層雖然能夠將金屬制成結構體系與環境中腐蝕介質隔離，但是涂層也是存在時間限制的，隨著時間變化，體系表面的涂層會逐漸消失，防腐蝕作用也逐漸減小，因此金屬制成結構體系表面噴涂防腐涂層后，還需要對其采取電化學保護措施。因為金屬具有電化學腐蝕性能，在與介質接觸時會發生自溶解反映[7]。在這個過程，導致金屬被腐蝕，所以采取電化學保護措施，能夠更加有效的保證工程建筑質量。

電化學保護技術的原理主要為金屬具有電化學腐蝕特性，利用該特性通過外部電流對金屬的電位進行改變，進而起到對金屬材料保護的作用[8]。首先，通過氧化劑獲得電子陽極釋放的過程，得出金屬表面發生Fe的溶解反映化學方程式，如公式（1）所示。

而后，通過公式（1）所示的反應過程，可以根據顏色變化的具體情況觀察到金屬腐蝕過程的進行，出現藍色的區域代表陽極區；出現紅色的區域代表陰極區。在金屬腐蝕過程中，通過電化學保護技術能夠使氧向液滴中心部位擴散的難度增加，進而減少紅色區域的面積，加速鹼化過程[9]。最后，利用電化學保護技術保持電荷平衡，將陽極反應集中在水滴的中心部位，最大程度上幫助金屬達到穩定狀態。

首先需要計算金屬制成結構體系電化學保護所需要的電流量，其計算工程為：

公式（2）中，I為金屬制成結構體系電化學保護所需要的電流量；e為陰極開路電位；c為陰極極化電位；a為陽極開路電位；w為陽極極化電位；E為陽極接地電阻；Q陰極導線電阻；T為回路導線電阻。其次還要計算出所需的陽極數量，其計算公式如下：

公式（3）中，N為工程建筑金屬制成結構體系電化學保護所需要的陽極數量；f為備用系數，通常取值為3.5；l為單只陽極輸出電流。

然后根據建筑工程金屬制成結構體系圖紙，確定金屬制成結構體系中心線，做好標記。最后在金屬制成結構體系兩側開鑿出一條可以放入導線的渠道，采取鋅合金作為陰極和陽極材料，利用焊接技術將鋅合金陰極和陽極與金屬制成結構體系兩側連接，按照鑿出的渠道埋設導線，最后利用水泥砂漿將渠道封閉，將導線的另一頭連接電源，將金屬制成結構體系保護電位設定在-0.85v--2.0v，打開電源即可實現對工程建筑金屬制成結構體系電化學保護，起到防腐蝕作用，以此完成工程建筑金屬制成結構體系防腐蝕措施研究。

3 結束語

此次考慮工程建筑金屬制成結構體系抗腐蝕需求，并結合目前最新金屬制成結構體系防腐蝕技術理論，對其防腐蝕措施進行了研究，并針對性的提出了相應的防腐蝕措施意見，對節約工程建筑資源資金，降低工程建筑施工成本，保證工程建筑質量和人民的生命、財產安全都有著重要的現實意義，為工程建筑金屬制成結構體系防腐蝕提供參考依據。由于金屬制成結構體系腐蝕性受眾多因素的影響，此次提出的防腐蝕措施不夠全面，沒有從微觀角度分析工程建筑金屬制成結構體系防腐蝕需求，因此今后仍需要通過大量的調查數據，進一步優化工程建筑金屬制成結構體系腐蝕性與腐蝕因素的關系，進而研究出更加全面、更加有效的防腐蝕措施。